曾 龍，熊乾凱，江 波，李誠(chéng)龍，許富龍

面向無(wú)人機(jī)城市空中視覺(jué)導(dǎo)航仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

曾 龍，熊乾凱，江 波，李誠(chéng)龍，許富龍

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院空中交通管理學(xué)院，廣漢 618300）

系統(tǒng)仿真是無(wú)人機(jī)飛行導(dǎo)航與控制程序設(shè)計(jì)的重要手段，面向城市空中交通場(chǎng)景視覺(jué)導(dǎo)航算法設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)需求，首先調(diào)研了針對(duì)無(wú)人機(jī)所開(kāi)發(fā)的多種飛行器仿真模擬平臺(tái)，確定了基于Airsim搭建所需城市空中視覺(jué)導(dǎo)航仿真平臺(tái)的技術(shù)路線，并進(jìn)一步詳細(xì)介紹了該仿真平臺(tái)的搭建方法，最后給出了該仿真場(chǎng)景的搭建結(jié)果。

無(wú)人機(jī)；仿真平臺(tái)；城市空中交通；視覺(jué)導(dǎo)航

0 引言

相比傳統(tǒng)的固定翼飛行器，無(wú)人機(jī)具有可垂直起降、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)、交通、物流、植保、軍事等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，基于可視化交互的機(jī)器人仿真技術(shù)獲得了快速的發(fā)展和應(yīng)用。為減少無(wú)人機(jī)飛行試驗(yàn)中天氣、光照等自然因素的影響，同時(shí)考慮到試飛區(qū)域的限制以及飛行器的安全問(wèn)題，近年來(lái)相關(guān)研究人員針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)需求，利用計(jì)算機(jī)建立了多種飛行仿真模擬平臺(tái)，以此來(lái)進(jìn)行無(wú)人機(jī)的研制開(kāi)發(fā)、飛行試驗(yàn)以及算法實(shí)驗(yàn)，有效地降低了研究成本，并具有效率高、復(fù)用性高、擴(kuò)展性好等特點(diǎn)。

城市空中交通（Urban Air Mobility，UAM）這一新興航空運(yùn)輸概念自2017年由NASA等機(jī)構(gòu)提出以來(lái)，一直受到各航空機(jī)構(gòu)與廠商的廣泛關(guān)注[1]，成為城市交通新的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。城市環(huán)境具有地形復(fù)雜、電磁干擾強(qiáng)的特點(diǎn)，尤其是高層建筑會(huì)對(duì)飛行器導(dǎo)航信號(hào)產(chǎn)生多徑干擾和屏蔽效應(yīng)，導(dǎo)致飛行器GNSS信號(hào)跳變甚至丟失，因此除衛(wèi)星信號(hào)導(dǎo)航之外的多種傳感器導(dǎo)航方式研究可以為UAM提供冗余的導(dǎo)航數(shù)據(jù)備份。本文基于AirSim仿真軟件，針對(duì)UAM特定環(huán)境提出了一套視覺(jué)仿真平臺(tái)。

本文從工程應(yīng)用需求出發(fā)，收集分析當(dāng)前常用的無(wú)人機(jī)仿真平臺(tái)，介紹各種仿真平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)、基本框架等，并對(duì)各種仿真平臺(tái)優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析對(duì)比。

1 無(wú)人機(jī)仿真平臺(tái)對(duì)比

1.1 Flight Gear飛行模擬器

Flight Gear開(kāi)源飛行模擬器自1997年發(fā)布至今，作為一款自由軟件一直持續(xù)更新。其仿真效果如圖1所示。當(dāng)前最新版本發(fā)布于2021年7月，適用于Windows、Ubuntu、Mac等操作系統(tǒng)，采用了基于美國(guó)地質(zhì)勘探局發(fā)布的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，建立了大多數(shù)區(qū)域的三維地貌特征，并收錄了全球主要機(jī)場(chǎng)的各類(lèi)信息，支持?jǐn)?shù)百種飛行器模型[2]。

圖1 Flight Gear仿真效果

開(kāi)放者為便于地形模擬、飛行器設(shè)計(jì)、聲效設(shè)計(jì)等不同需求的開(kāi)發(fā)，F(xiàn)light Gear為多模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)某一模塊進(jìn)行升級(jí)時(shí)不需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行重新編譯[3]，具有較高的開(kāi)放性和用戶可擴(kuò)展性。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，F(xiàn)light Gear的結(jié)構(gòu)框架較為復(fù)雜，其系統(tǒng)與模塊相互關(guān)系如圖2所示。該模擬器中最重要的模塊為飛行動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)與飛行控制系統(tǒng)，這兩部分通過(guò)讀取外部接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)部解算，得到可視化模擬所需數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器飛行航跡的模擬。之后通過(guò)對(duì)地形渲染、聲效系統(tǒng)、電子導(dǎo)航系統(tǒng)等模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，完成對(duì)整個(gè)飛行的仿真模擬。Flight Gear仿真建模重在建立高精度、高真實(shí)感的機(jī)場(chǎng)跑道、飛行器等模型，地形中的其他地物紋理主要是通過(guò)圖片的重復(fù)鋪貼來(lái)實(shí)現(xiàn)，有明顯的人工痕跡，導(dǎo)致真實(shí)感較低[4]。

圖2 Flight Gear仿真平臺(tái)框架

1.2 Gazebo機(jī)器人仿真平臺(tái)

Gazebo機(jī)器人仿真平臺(tái)由A Howard等人于2002年開(kāi)發(fā)[5]，旨在復(fù)雜條件下對(duì)室內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行機(jī)器人模擬。2009年Gazebo集成了ROS和PR2，成為ROS社區(qū)使用的主要工具之一。當(dāng)前Gazebo具有較好的物理引擎、歸回測(cè)試和AI訓(xùn)練系統(tǒng)，可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行高仿真度模擬。其仿真效果如圖3所示。

圖3 Gazebo仿真效果

Gazebo仿真結(jié)構(gòu)如圖4所示。世界模塊為所有模型和環(huán)境因素的集合，包括重力、照明等。每個(gè)模型由至少一個(gè)主題和任意數(shù)量的關(guān)節(jié)、傳感器組成。該平臺(tái)設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的API來(lái)完成模型的建立，這些API的底層為處理物理模擬和可視化的第三方庫(kù)，通過(guò)共享的內(nèi)存接口接受客戶端命令并返回?cái)?shù)據(jù)。Gazebo可以針對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)、固定翼飛行器、汽車(chē)、關(guān)節(jié)機(jī)器人等進(jìn)行機(jī)械仿真，但其仿真場(chǎng)景與渲染較為落后，不適用于基于視覺(jué)的算法實(shí)驗(yàn)[6]。

圖4 Gazebo仿真平臺(tái)框架

1.3 jMavSim仿真軟件

jMavSim是輕量級(jí)的旋翼飛行器仿真軟件[7]，可通過(guò)PX4對(duì)仿真環(huán)境中的飛行進(jìn)行控制，并支持Mavlink協(xié)議。該仿真軟件采用UDP接口與地面站連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，與地面站連接后，作為地面站與自動(dòng)駕駛儀之間的橋梁，完成可視化仿真，其仿真效果如圖5所示。jMavSim使用了Java3d庫(kù)進(jìn)行可視化，但由于Java3D庫(kù)已經(jīng)停產(chǎn)了很長(zhǎng)時(shí)間，雖然現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始再次維護(hù)，但其環(huán)境建模和渲染效果較差，而且不支持添加各類(lèi)傳感器，因此jMavSim更側(cè)重于基于飛控的相關(guān)算法測(cè)試，不能進(jìn)行基于各傳感器的無(wú)人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)。

圖5 jMavSim仿真效果

1.4 AirSim仿真平臺(tái)

AirSim仿真平臺(tái)是由微軟公司開(kāi)發(fā)的一款開(kāi)源無(wú)人車(chē)/無(wú)人機(jī)仿真平臺(tái)[8]，其仿真環(huán)境是基于虛幻引擎（Unreal Engine，UE）開(kāi)發(fā)的，支持跨平臺(tái)的軟/硬件在環(huán)仿真，其主要特點(diǎn)是具有極高的物理與視覺(jué)還原度，適用于自動(dòng)駕駛相關(guān)的深度學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)以及強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法的研究，其仿真效果如圖6所示。

圖6 AirSim仿真效果

AirSim具有強(qiáng)大的場(chǎng)景搭建工具，包括城市、林地、湖泊、小鎮(zhèn)等豐富的場(chǎng)景，開(kāi)發(fā)者可以在城市中心、鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路、郊野、工業(yè)區(qū)等多樣的環(huán)境下對(duì)飛行器算法進(jìn)行測(cè)試。AirSim支持MavLink等主流無(wú)人機(jī)協(xié)議，可使用Pixhawk以及PX4固件對(duì)仿真環(huán)境中的無(wú)人機(jī)進(jìn)行直接控制。同時(shí)該仿真平臺(tái)支持C++與Python語(yǔ)言，提供了多語(yǔ)言的API接口，具有完善的底層控制框架，可直接對(duì)中上層控制進(jìn)行設(shè)計(jì)。AirSim具備了多樣的傳感器，包括單目相機(jī)、雙目相機(jī)、深度相機(jī)、IMU、激光雷達(dá)、全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)、磁力傳感器等，具備較高的擴(kuò)展性。其仿真平臺(tái)框架如圖7所示。

2 城市空中交通視覺(jué)導(dǎo)航仿真平臺(tái)

考慮到城市復(fù)雜環(huán)境的影響，以及城市空中無(wú)人機(jī)試驗(yàn)的安全性等因素，UAM環(huán)境下的視覺(jué)導(dǎo)航研究需要在仿真環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，為此本文提出一種基于AirSim的城市空中交通仿真平臺(tái)。該仿真環(huán)境覆蓋了對(duì)空中航路、復(fù)雜地形（城市樓宇間）、惡劣天氣（強(qiáng)風(fēng)、大霧）、晝夜明暗、非合作目標(biāo)闖入等多類(lèi)場(chǎng)景的模擬能力，可以獲取無(wú)人機(jī)飛行期間的單目、雙目、深度相機(jī)、激光雷達(dá)等多傳感器信號(hào)?？紤]到城市場(chǎng)景的特點(diǎn)，在該環(huán)境中1：1還原了城市高樓、道路等元素，同時(shí)在選擇好的各高樓頂添加無(wú)人機(jī)停機(jī)坪，便于后續(xù)開(kāi)展無(wú)人機(jī)航路設(shè)計(jì)、視覺(jué)導(dǎo)航等工作，其仿真效果如圖8所示。

圖8 城市空中交通仿真平臺(tái)效果

2.1 搭建平臺(tái)

本平臺(tái)的搭建主要是為了在UAM環(huán)境下進(jìn)行無(wú)人機(jī)視覺(jué)導(dǎo)航算法的研究，對(duì)仿真環(huán)境的模擬能力要求較高，其仿真環(huán)境需要對(duì)包括停機(jī)坪、道路、中高層建筑等元素進(jìn)行模擬。本平臺(tái)的仿真環(huán)境主要以深圳地標(biāo)建筑為原型，在中高層建筑樓頂放置了停機(jī)坪，停機(jī)坪設(shè)計(jì)要求滿足《MH5013-2014民用直升機(jī)場(chǎng)飛行場(chǎng)地技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[9]，停機(jī)坪示意圖如圖9所示。

圖9 停機(jī)坪著陸點(diǎn)示意圖

本仿真平臺(tái)主要分為仿真渲染和飛行控制兩個(gè)部分。仿真渲染部分主要由虛幻物理引擎對(duì)城市環(huán)境與飛行器模型進(jìn)行仿真，確保飛行器可以實(shí)時(shí)獲取單目仿真圖像；飛行控制部分包含無(wú)人機(jī)底層的API控制，允許單目、IMU、GPS等多傳感器獲取無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，之后通過(guò)客戶端編程來(lái)設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的中上層控制，具體流程如圖10所示。

圖10 城市空中交通仿真平臺(tái)流程圖

2.2 仿真使用

文獻(xiàn)[10]中設(shè)計(jì)了一種UAM環(huán)境下無(wú)人機(jī)斜飛起降方法，并在本仿真平臺(tái)完成了仿真模擬實(shí)驗(yàn)。該平臺(tái)首先完成城市環(huán)境與飛行器的仿真渲染，之后對(duì)飛行器進(jìn)行最終進(jìn)近階段的航路設(shè)計(jì)，無(wú)人機(jī)在獲取到實(shí)時(shí)的單目相機(jī)數(shù)據(jù)后，通過(guò)控制算法對(duì)無(wú)人機(jī)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。仿真平臺(tái)使用效果如圖11所示。

圖11 無(wú)人機(jī)仿真平臺(tái)使用效果

3 結(jié)論

本文總結(jié)了現(xiàn)今常用的無(wú)人機(jī)飛行仿真平臺(tái)，如表1所示，首先對(duì)表1中飛行器平臺(tái)進(jìn)行對(duì)比，分別從是否開(kāi)源、仿真模型、支持仿真的視覺(jué)傳感器、ROS接口、逼真度、豐富度、可滿足的仿真需求等幾方面進(jìn)行了比較分析。

表1 無(wú)人飛行仿真平臺(tái)對(duì)比

為保證城市場(chǎng)景具有較高的視覺(jué)與物理仿真能力，本文最終選用AirSim作為仿真平臺(tái)，完成了一種城市空中交通視覺(jué)導(dǎo)航仿真平臺(tái)的搭建，為后續(xù)相關(guān)場(chǎng)景無(wú)人機(jī)視覺(jué)導(dǎo)航算法設(shè)計(jì)提供仿真基礎(chǔ)。本文提出的仿真環(huán)境可以較好地完成城市關(guān)鍵元素的視覺(jué)與物理仿真，后續(xù)還需要在細(xì)節(jié)處進(jìn)行改進(jìn)。

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Realization of UAV-Oriented Urban Aerial Visual Navigation Simulation Platform

ZENG Long, XIONG Qiankai, JIANG Bo, LI Chenglong, XU Fulong

System simulation is an important measure for UAV flight navigation and controlling program design. To meet the development needs of visual navigation algorithm design in urban air mobility, a variety of aircraft simulation platforms developed for UAV is investigated in the paper. Then the technical route of building the required urban aerial visual navigation simulation platform based on Airsim is determined, and the construction method of the simulation platform is further introduced in detail and the simulation scene construction results are given.

Unmanned Aerial Vehicle; Simulation Platform; Urban Air Mobility; Visual Navigation

V249

A

1674-7976-(2022)-01-029-05

2021-12-16。

曾龍（1996.01—），甘肅武威人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槌鞘锌罩薪煌o(wú)人機(jī)視覺(jué)導(dǎo)航研究。